Tóm tắt Luận án Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong

- 1 - 
MỞ ĐẦU 
1. Tính cấp thiết 
 Có thể nói rằng việc tìm kiếm, nghiên cứu sử dụng các dạng nhiên 
liệu sinh học thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống đang cạn kiệt 
dần để đảm bảo tăng trưởng kinh tế và bảo vệ môi trường đã trở nên bức 
thiết hơn bao giờ hết, đã và đang trở thành chính sách hàng đầu trong 
chiến lược phát triển kinh tế của mọi quốc gia. Vì vậy việc tìm ra nguồn 
năng lượng mới có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường là điều 
rất quan trọng và cần thiết. Do nhiên liệu biodiesel có sự khác biệt về 
tính chất hóa-lý và đặc tính cháy so với nhiên liệu diesel truyền thống 
nên sẽ tác động đến các thông số đặc trưng của quá trình cháy và các chỉ 
tiêu kinh tế, năng lượng, môi trường của động cơ diesel. Chính vì vậy, 
trong giới hạn nghiên cứu ở Việt Nam, thấy rằng việc “Nghiên cứu quá 
trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong” mang tính 
cấp thiết trong bối cảnh hiện nay, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 
2. Mục tiêu nghiên cứu 
Đánh giá được các đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel 
có nguồn gốc từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel; Đánh giá được ảnh 
hưởng của tỷ lệ biodiesel thay thế đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát 
thải cũng như thông số vận hành của động cơ diesel; Đưa ra khuyến cáo 
sử dụng biodiesel cho động cơ diesel hoạt động đạt hiệu quả nhất và 
nâng cao công năng sử dụng. 
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 
 Đối tượng nghiên cứu: 
- Động cơ diesel Mazda WL-Turbo 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng, buồng 
cháy phụ (hình trụ nối chỏm cầu) được lắp trên ô tô Mazda 2500 và Ford 
Ranger, được sử dụng tương đối phổ biến trong giao thông đường bộ tại 
Việt Nam. 
- Hỗn hợp nhiên liệu biodiesel nguồn gốc từ dầu hạt cao su có tỷ lệ pha 
trộn 15%, 20%, 25%, 30% (B15, B20, B25, B30) và DO (diesel truyền 
thống). 
 Phạm vi nghiên cứu: 
- Về lý thuyết: Nghiên cứu lý thuyết về quá trình cháy và phân tích các 
mô hình toán để ứng dụng trong mô phỏng khi sử dụng phần mềm mô 
phỏng ANSYS FLUENT. Trong mô phỏng, chỉ mô phỏng ở một số chế 
độ tải và số vòng quay động cơ diesel thường sử dụng cụ thể là: Chế độ 
tải 25%, 50%, 75% tương ứng với mức tải nhỏ, tải trung bình, tải lớn tại 
số vòng quay 1500 v/ph và 2250 v/ph. 
- 2 - 
- Về thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm trên động cơ diesel Mazda 
WL ở chế độ tải 25%, 50%, 75% tương ứng với số vòng quay từ 1000 
v/ph đến 3000 v/ph. Thực nghiệm nội soi buồng cháy động cơ Mazda 
WL với các loại nhiên liệu diesel truyền thống (DO) và biodiesel ở chế 
độ 75% tải và số vòng quay 2250 v/ph. 
4. Nội dung nghiên cứu 
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về tính chất và đặc điểm quá trình cháy 
của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel. Nghiên cứu lựa chọn các 
mô hình toán trong phần mềm mô phỏng. Nghiên cứu mô phỏng quá 
trình cháy động cơ diesel sử dụng biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao 
su trên phần mềm mô phỏng ANSYS FLUENT. 
Thực nghiệm trên băng thử công suất động cơ, đo diễn biến áp suất 
trong buồng cháy động cơ từ đó phân tích đánh giá ảnh hưởng của nhiên 
liệu diesel sinh học đến đặc tính cháy, đặc tính kinh tế, kỹ thuật và phát 
thải của động cơ diesel. Thực nghiệm nội soi buồng cháy động cơ 
Mazda WL với các loại nhiên liệu diesel truyền thống (DO) và biodiesel 
nhằm quan sát đánh giá đặc tính cháy. 
5. Phƣơng pháp nghiên cứu 
Luận án kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng với 
nghiên cứu thực nghiệm. 
6. Tên đề tài 
“Nghiên cứu quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt 
trong” 
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 
Ý nghĩa khoa học: Luận án đã xác định được các yếu tố cơ bản nhất 
của quá trình cháy từ dữ liệu diễn biến áp suất buồng cháy. Luận án đã 
xây dựng được các mối quan hệ giữa các thông số vận hành. Đây là các 
đường đặc tính cơ sở nhằm hỗ trợ cho việc nâng cao tỷ lệ diesel sinh học 
trên thực tế. 
 Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã cung cấp các dữ liệu cụ thể từ kết quả 
nghiên cứu để đưa ra những định hướng khoa học khi sử dụng nhiên liệu 
biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su làm nhiên liệu thay thế các 
động cơ diesel đang lưu hành tại Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu của 
luận án là cơ sở khoa học góp phần xây dựng các tiêu chuẩn về nhiên 
liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su. 
8. Bố cục của luận án 
Luận án được kết cấu gồm các nội dung chính như sau: Mở đầu; 
Chương 1: Tổng quan; Chương 2: Cơ sở lý thuyết; Chương 3: Nghiên 
- 3 - 
cứu thực nghiệm; Chương 4: Kết quả và thảo luận; Kết luận và hướng 
phát triển. 
9. Những đóng góp mới về mặt khoa học của luận án 
1- Luận án đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng động cơ 
diesel Mazda WL trên phần mềm ANSYS FLUENT. Thông qua mô 
hình đã xây dựng có thể phân tích, đánh giá được đặc trưng quá trình 
cháy nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong, đồng thời cũng là cơ 
sở để giải thích, định hướng và đánh giá kết quả thực nghiệm. 
2- Bằng mô phỏng luận án đã dự báo được sự thay đổi các thông số 
đặc trưng quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel về 
mặt qui luật. Đồng thời, cũng đã chỉ ra hệ số hiệu chỉnh quá trình cháy 
khi mô phỏng trong ANSYS FLUENT đối với nhiên liệu biodiesel có tỷ 
lệ từ B15 đến B30 cụ thể như sau: 
 Áp dụng mô hình cháy chính của J. Abraham cần hiệu chỉnh các 
thông số đối với tốc độ tỏa nhiệt: hệ số giãn dòng C’d=1,38Cd; hệ số số 
mũ đặc trưng cho tốc độ cháy a’=0,86a; thông số dạng cháy m’= 1,14m. 
 Áp dụng mô hình Shell để tính toán thời gian cháy trễ được đề xuất 
bởi Kong và Reitz, thay đổi thời gian cháy trễ Af4 từ mô hình cháy trễ 
quan hệ theo phương trình    
4 4
x4 y4
4 f f 2f A exp E / RT O RH 
. Hệ số hiệu 
chỉnh quá trình cháy Ef4 của nhiên liệu biodiesel do ảnh hưởng của số 
cetane khi mô phỏng là 𝐸𝑓4
∗ = 3,0𝑒4 
75
𝐶𝑁+25
 . 
3- Bằng thực nghiệm luận án đã chỉ ra được đặc trưng quá trình cháy 
của nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su trong động cơ 
diesel Mazda WL với các tỷ lệ phối trộn B15, B20, B25. B30 và đánh 
giá được ảnh hưởng của tính chất, tỷ lệ pha trộn đến các chỉ tiêu kinh tế, 
kỹ thuật, phát thải cũng như thông số vận hành của động cơ diesel. Kết 
quả thực nghiệm nội soi buồng cháy chỉ ra rằng đặc điểm diễn biến quá 
trình cháy của biodiesel tương đồng so với nhiên liệu diesel. Kết quả này 
hoàn toàn phù hợp với kết quả nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm 
trong luận án. 
10. Hạn chế của luận án 
Luận án chưa nghiên cứu ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu 
đến tính năng động cơ diesel khi sử dụng biodiesel có nguồn gốc từ dầu 
hạt cao su. 
Chƣơng 1: TỔNG QUAN 
1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học và biodiesel 
1.1.1. Giới thiệu chung về nhiên liệu sinh học 
- 4 - 
Nhiên liệu sinh học (NLSH) gồm có nhiều loại như xăng sinh học 
(biogasoline), diesel sinh học (biodiesel) và khí sinh học (biogas) - loại 
khí được tạo thành do sự phân hủy yếm khí các chất thải nông nghiệp, 
chăn nuôi và lâm nghiệp. 
1.1.2. Giới thiệu chung về biodiesel 
1.1.2.1. Nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel 
Nguồn biodiesel được sản xuất từ rất nhiều dạng khác nhau, có thể 
tổng hợp một số nguyên liệu chính như: Dầu thực vật, Mỡ động vật, Dầu 
phế thải từ các nhà máy chế biến dầu, mỡ và tảo. 
1.1.2.2. Phương pháp tổng hợp biodiesel 
 Đã có bốn phương pháp tổng hợp biodiesel được nghiên cứu để giải 
quyết vấn đề độ nhớt cao đó là: sự pha loãng, nhiệt phân, cracking xúc 
tác và chuyển hóa este dầu thực vật [11]. 
1.1.2.3. So sánh tính chất của biodiesel và diesel khoáng 
1.1.2.4. Tiêu chuẩn chất lượng đối với biodiesel 
1.2. Tổng quan về biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su 
1.2.1. Đặc điểm chung của cây cao su và dầu hạt cao su 
Theo hiệp hội cao su Việt Nam thì diện tích và sản lượng cây cao su tại 
Việt Nam được thống kê sơ bộ đến năm 2015 có 1 triệu ha [113]. 
Hình 1.1: Hình ảnh cây, quả và dầu hạt cao su 
1.2.2. Đặc điểm về tính chất hóa học của dầu hạt cao su 
Bảng 1.3: Thành phần phần trăm hoá học của nhân hạt cao su [3] 
% Chất khô 91,50% 
Protein thô 71,70% 
Chất béo 39% 
Cellulose 2,80% 
Tro 31% 
Chất chiết Nitơ tự do 25,90% 
C18H32O2 37,6% 
C21H36O2 16,98% 
C19H38O2 9,56% 
C17H34O2 9,09% 
C21H40O2 0,2% 
1.2.3. Đặc điểm về tính chất vật lý của dầu hạt cao su 
- 5 - 
Bảng 1.4: Một số tính chất hoá lý của dầu hạt cao su [7], [15] 
Tính chất Giá trị 
Tỷ trọng (25oC) 0,943 
Độ nhớt, cSt 66 
Hàm lượng chất không xà phòng 1,20% 
Chỉ số xà phòng hoá, mg KOH/g 192,016÷226,12 
Chỉ số axit, mg KOH/g 32,02÷37,69 
Chỉ số peroxide, mEq/1000g dầu 10,4 
Chỉ số iod, g I2/100g 142,45÷144,231 
Điểm chớp cháy, oC min 218,5oC 
Điểm cháy, oC min 347,4oC 
Chỉ số khúc xạ 1,4709 
Nhiệt trị, MJ/kg 37,5 
1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel 
1.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel trên thế giới 
Tại Ấn Độ phát triển biodiesel quy mô công nghiệp bắt đầu thực 
hiện từ năm 2003. Các nước sản xuất nhiều diesel sinh học ở Đông 
Nam Á là Malaysia, Indonexia và Thái Lan [95]. 
Hình 1.4: Sản lượng diesel sinh học ở châu Âu [112] 
1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng biodiesel tại Việt Nam 
Hiện nay, tại đồng bằng sông Cửu Long có công ty Agifish - An 
Giang với công suất 10.000(tấn/năm); công ty Minh Tú - Cần Thơ với 
công suất 300(lít/giờ); công ty thương mại thủy sản Vĩnh Long với công 
suất 500.000 (tấn/năm). 
1.4. Ảnh hƣởng của nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy 
1.4.1. Đặc điểm quá trình cháy trong động cơ diesel 
Mô hình cháy khuếch tán và rối là mô hình cơ sở để nghiên cứu quá 
trình cháy trong động cơ diesel sử dụng nhiên liệu biodiesel [5]. 
1.4.2. Ảnh hưởng của tính chất biodiesel đến quá trình cháy 
Các tính chất của nhiên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tạo 
hỗn hợp và quá trình cháy bao gồm: tỷ trọng, độ nhớt động học, sức 
căng mặt ngoài của hạt nhiên liệu, nhiệt trị thấp, trị số cetane, tỷ lệ 
C:H:O, hàm lượng lưu huỳnh. 
- 6 - 
 Tóm lại: Khi chuyển sang sử dụng biodiesel, cần nghiên cứu, đánh 
giá một cách lượng hóa tác động của những sự thay đổi này đến quá 
trình cháy của nhiên liệu cũng như chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải 
của động cơ diesel. 
1.4.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn biodiesel 
Tóm lại: với những căn cứ, phân tích như trên, trong phạm vi nghiên 
cứu của luận án, NCS chỉ tập trung vào nghiên cứu quá trình cháy của 
nhiên liệu biodiesel với tỷ lệ pha trộn ở 4 mức là 15%, 20%, 25% và 
30% tương ứng với B15, B20, B25 và B30. Điều này cũng phù hợp với 
“Lộ trình áp dụng tỷ lệ phối trộn NLSH với nhiên liệu truyền thống” của 
Chính phủ. 
1.5. Tình hình nghiên cứu quá trình cháy của biodiesel 
1.5.1. Trên thế giới 
 1.5.2. Tại Việt Nam 
Nhận xét: Hầu hết các nghiên cứu trên thế giới về diesel sinh học 
đều có kết luận chung là tính chất và nguồn gốc của nhiên liệu biodiesel 
có ảnh hưởng quyết định đến đặc tính cũng như phát thải của động cơ 
như [36], [41], [42], [46], [56], [76], [77], [89], [93], [101], [102]. Một 
số nghiên cứu khác thì tập trung vào mô phỏng và so sánh với thực 
nghiệm về các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải như [26], [73], [79], 
[88], [94]. Các nghiên cứu trên thế giới về quá trình cháy của nhiên liệu 
biodiesel như [30], [40], [47], [51], [87], [96], [106]. Tuy nhiên, các 
nghiên cứu này thường tập trung vào biodiesel có nguồn gốc từ ưu thế 
về nguồn cung và khả năng tái tạo của đất nước họ. Chưa có đề tài nào 
nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ diesel sử dụng nhiên liệu 
biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su với các tỷ lệ B15, B20, B25 và 
B30 so sánh với diesel khoáng sản (DO). Chính vì vậy, nghiên cứu quá 
trình cháy nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt cao su trong 
động cơ diesel mang tính cấp thiết, phù hợp với điều kiện tại Việt Nam. 
1.6. Kết luận chƣơng 1 
 Việc nghiên cứu về đặc trưng quá trình cháy kết hợp quan sát 
diễn biến quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel 
chưa được nghiên cứu đầy đủ và chuyên sâu. Nhưng đây lại là hướng 
nghiên cứu quan trọng khi ứng dụng biodiesel thay thế cho diesel truyền 
thống sử dụng cho động cơ diesel. 
 Luận án tập trung nghiên cứu về quá trình cháy của nhiên liệu 
biodiesel: Tỷ lệ pha trộn biodiesel B15, B20, B25, B30 và có nguồn gốc 
từ dầu hạt cao su. Động cơ diesel Mazda WL-Turbo 4 kỳ, 4 xylanh thẳng 
- 7 - 
hàng, buồng cháy ngăn cách. 
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 
2.1. Mô hình cháy hỗn hợp khuếch tán không hòa trộn trƣớc 
2.1.1. Mô hình rối 
Trong mô hình rối  k , các phương trình được xây dựng như sau: 
Theo giả thiết về độ nhớt rối của Boussinesq [5], ta có: 
ij
i
i
i
i
j
j
i
tji
x
u
k
x
u
x
u
uu   






3
2'' (2.1) 
2.1.2. Hệ phương trình tổng quát biểu diễn tia phun rối 
Nhằm mô hình hóa quá trình cung cấp nhiên liệu cho động cơ diesel, 
trong phần mềm mô phỏng biểu diễn tia phun rối bằng phương trình liên 
tục như sau [5]; Phương trình liên tục; Phương trình bảo toàn động 
lượng; Phương trình bảo toàn Enthalpie toàn phần; Phương trình bảo 
toàn phần tử; Phương trình đối với động năng rối k; Phương trình đối với 
tốc độ tiêu tán động năng rối : 
2.1.3. Mô hình cháy chính của J. Abraham 
Xét sự biến thiên của các chất như: O2, N2, CO2, CO, H2, H20 trong 
quá trình cháy theo thời gian được J. Abraham [64] tính toán ở cả nhiệt 
độ thấp và nhiệt độ cao được xác định theo phương trình: 
*
m m m
c
d
dt

 (2.11) 
2.1.4. Mô hình cháy trễ của Kong và Reitz 
- Mô hình cháy trễ Shell của Kong và Reitz [69] tính toán thời gian 
cháy trễ gồm tám phản ứng giữa 5 chất. Xác định các hệ số của tốc độ 
hình thành các chất theo 6 phương trình. 
2.1.5. Đại lượng bảo toàn 
Đại lượng bảo toàn là đại lượng không tự sinh ra cũng không tự mất 
đi trong quá trình cháy mà dựa vào đó chúng ta có thể tính toán được các 
thống số nhiệt hóa học của hỗn hợp. 
2.1.6. Tốc độ màng lửa rối 
2.1.7. Tính toán nhiệt độ 
2.1.8. Tính toán các đại lượng trung bình 
2.1.9. Mô hình hình thành bồ hóng 
Theo Magnussen, bồ hóng (Soot) được hình thành trong quá 
trình cháy của hydrocarbure được tiến hành qua hai giai đoạn, đầu tiên là 
việc hình thành các nhân cơ sở và giai đoạn sau là việc hình thành bồ 
hóng từ các nhân này. Tốc độ sản sinh các nhân cơ sở được tính theo 
biểu thức [75]. 
- 8 - 
 Rn.f = n0+ (fb – g).n – g0 .n.N (hạt/m
3
/s) (2.55) 
2.1.10. Mô hình hình thành NOx 
Sự hình thành NO được mô tả thông qua cơ chế Y.B.Zeldovich: Quá 
trình hình thành của chúng được thể hiện qua 6 phương trình phản ứng 
theo cơ chế Zeldovich trình bày trong bảng 2.3 [108]. 
2.1.11. Mô hình phát thải HC 
Tốc độ hình thành HC được tính theo phương trình như sau [72]: 
𝑑 𝐻𝐶 
𝑑𝑡
= −𝐶𝐻𝐶𝐴𝐻𝐶𝑒
−𝐸𝐻𝐶 /𝑅𝑇𝑔𝑤 𝐻𝐶 𝑎 𝑂2 
𝑏 (2.73) 
2.1.12. Mô hình phát thải CO 
 Tốc độ tạo thành CO được tính theo công thức [104]: 
𝑑 𝐶𝑂 
𝑑𝑡
= (𝑅1 + 𝑅2) 1 −
 𝐶𝑂 
 𝐶𝑂 𝑒
 (2.74) 
2.2. Tính toán mô phỏng quá trình cháy biodiesel trong động cơ 
2.2.1. Các phần mềm dùng trong nghiên cứu mô phỏng động cơ 
2.2. ... 9 13643 -2,89 13650 -2,84 12680 -9,75 12326 -12,27 
Trung bình -3,02 -3,01 -9,41 -11,60 
2250 
(v/ph) 
25 29428 28615 -2,76 28556 -2,97 26479 -10,02 26320 -10,56 
50 14396 13997 -2,78 14109 -2,00 13124 -8,84 12754 -11,41 
75 12312 11956 -2,89 11931 -3,09 11084 -9,97 10785 -12,40 
Trung bình -2,81 -2,68 -9,61 -11,46 
Trung bình chung -2,91 -2,85 -9,51 -11,53 
y = -0,968x + 0,752
R² = 0,986
y = -1,079x + 0,828
R² = 0,983
-5
-4
-3
-2
-1
0
DO B15 B20 B25 B30
X
u
 h
ư
ớ
n
g
 t
h
ay
 đ
ổ
i 
N
e
(%
)
Thành phần trong nhiên liệu
Quy luật xu hướng thay đổi Ne giữa MP và TN
Xu hướng thay đổi Ne theo MP
Xu hướng thay đổi Ne theo TN
- 19 - 
So sánh kết quả suất tiêu hao năng lƣợng giữa MP và TN: 
Hình 4.29: So sánh quy luật xu hướng thay đổi kết quả giữa MP và TN của suất tiêu 
hao năng lượng động cơ khi sử dụng nhiên liệu biodiesel 
4.2.3. Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến chỉ tiêu phát thải của động cơ 
 Phát thải NOx (Nitrogen Oxide): 
Bảng 4.18: So sánh giá trị phát thải NOx của các nhiên liệu theo thực nghiệm 
T.số n 
(v/ph) 
Tải 
(%) 
Thành phần trong nhiên liệu 
NOx 
(ppm) 
theo 
thực 
nghiệm 
DO B15 TĐ.(%) B20 TĐ.(%) B25 TĐ.(%) B30 TĐ.(%) 
1500 
(v/ph) 
25 379 397 4,75 403 6,33 407 7,39 412 8,71 
50 506 534 5,53 545 7,73 566 11,86 578 14,23 
75 488 511 4,75 538 10,16 545 11,68 565 15,78 
Trung bình 5,01 8,07 10,31 12,91 
2250 
(v/ph) 
25 316 324 2,53 327 3,48 330 4,43 334 5,70 
50 646 660 2,12 678 4,90 689 6,61 692 7,12 
75 614 641 4,32 661 7,61 675 9,89 695 13,15 
Trung bình 2,99 5,33 6,98 8,65 
Trung bình chung 4,00 6,70 8,64 10,78 
Hình 4.32: Đặc tính thành phần phát thải NOx của động cơ theo thực nghiệm 
 Độ mờ khói Opacity (%Opac): (hay còn gọi là bồ hóng hoặc 
y = -2,816x + 3,382
R² = 0,906
y = -2,965x + 3,535
R² = 0,913
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
DO B15 B20 B25 B30
X
u
 h
ư
ớ
n
g
 t
h
ay
 đ
ổ
i 
e e
(k
J/
k
W
.h
)
Thành phần trong nhiên liệu
Quy luật xu hƣớng thay đổi ee giữa MP và TN
Xu hướng thay đổi Ee theo MP
Xu hướng thay đổi Ee theo TN
300
400
500
600
700
800
900
1000
1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000
T
h
àn
h
 p
h
ần
 k
h
í 
x
ả 
N
O
x
(p
p
m
)
Số vòng quay động cơ - n (v/ph)
Ảnh hưởng tỷ lệ biodiesel đến thành phần phát thải NOx
DO B15
B20 B25
B30
Tải (75% tải)
Góc phun: 10 độ TĐCT
Áp suất phun 114 bar
- 20 - 
soot). Đối với nhiên liệu biodiesel chứa thành phần oxy trong nhiên liệu, 
oxy chính là yếu tố dẫn tới đẩy mạnh quá trình cháy khuếch tán xảy ra 
hoàn toàn, đó là yếu tố làm giảm lượng bồ hóng. 
Bảng 4.20: So sánh giá trị bồ hóng %Opac của các nhiên liệu theo thực nghiệm 
T.số n 
(v/ph) 
Tải 
(%) 
Thành phần trong nhiên liệu 
OPAC 
(%) theo 
thực 
nghiệm 
DO B15 TĐ.(%) B20 TĐ.(%) B25 TĐ.(%) B30 TĐ.(%) 
1500 
(v/ph) 
25 1,80 1,70 -5,56 1,63 -9,44 1,61 -10,56 1,56 -13,33 
50 8,80 8,50 -3,41 8,20 -6,82 7,90 -10,23 7,70 -12,50 
75 19,8 19,4 -2,02 19,18 -3,13 18,75 -5,30 18,25 -7,83 
Trung bình -3,66 -6,46 -8,70 -11,22 
2250 
(v/ph) 
25 1,20 1,15 -4,17 1,10 -8,33 1,00 -16,67 0,96 -20,00 
50 4,1 3,7 -9,76 3,50 -14,63 3,40 -17,07 3,20 -21,95 
75 9,23 8,8 -4,61 8,2 -11,11 8 -13,28 7,6 -17,62 
Trung bình -6,18 -11,36 -15,67 -19,86 
Trung bình chung -4,92 -8,91 -12,18 -15,54 
 So sánh kết quả phát thải của động cơ giữa MP và TN: 
Hình 4.42: Xu hướng thay đổi các kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm 
Kết luận: Các kết quả so sánh trên cho phép khẳng định việc xây 
dựng mô hình mô phỏng, hiệu chỉnh các điều kiện biên, hiệu chỉnh các 
hệ số mô hình toán phù hợp với thực tế, đồng thời cũng khẳng định độ 
tin cậy của các dữ liệu sử dụng trong luận án. 
4.3. Trực quan hóa đặc trƣng quá trình cháy của hỗn hợp biodiesel 
từ dầu hạt cao su trong động cơ diesel Mazda WL 
4.3.1. Kết quả mô phỏng diễn biến quá trình cháy trong động cơ 
Mazda WL 
4.3.2. Trực quan hóa quá trình cháy của biodiesel trong động cơ 
Mazda WL bằng phương pháp nội soi buồng cháy 
4.4. Kết luận chƣơng 4 
Từ kết quả nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm được trình bày, 
phân tích, so sánh tại chương 4 có thể kết luận như sau: 
y = 2,443x - 2,410
R² = 0,998
y = 2,619x - 1,834
R² = 0,976
0
3
6
9
12
15
DO B15 B20 B25 B30
X
u
 h
ư
ớ
n
g
 t
h
ay
 đ
ổ
i 
N
O
x
 (
%
)
Thành phần trong nhiên liệu
Xu hƣớng thay đổi NOx giữa MP và TN
Xu hướng thay đổi NOx theo MP
Xu hướng thay đổi NOx theo TN
y = -3,445x + 3,293
R² = 0,997
y = -3,834x + 3,191
R² = 0,992
-20
-15
-10
-5
0
DO B15 B20 B25 B30
X
u
 h
ư
ớ
n
g
 t
h
ay
 đ
ổ
i O
p
ac
(%
)
Thành phần trong nhiên liệu
Xu hƣớng thay đổi Opac giữa MP và TN
Xu hướng thay đổi Opac theo MP
Xu hướng thay đổi Opac theo TN
- 21 - 
1. Mô hình động cơ diesel Mazda WL, 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng sử 
dụng nhiên liệu biodiesel có tỷ lệ pha trộn 0%, 15%, 20%, 25%, 30% có 
nguồn gốc từ dầu hạt cao su và DO được mô phỏng trên phần mềm ANSYS 
FLUENT nhằm phân tích các thông số của quá trình cháy, so sánh chỉ tiêu 
kinh tế, kỹ thuật cũng như chỉ tiêu phát thải đảm bảo độ tin cậy và phù hợp 
với thực tế. 
 Kết quả mô phỏng so với thực nghiệm có sai lệch lớn nhất về áp suất 
cháy cực đại là 4,8%, chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật là 5,75%, về phát thải là 
7,50%. 
 Thông qua mô hình mô phỏng đã xây dựng có thể phân tích, đánh giá 
được đặc trưng quá trình cháy nhiên liệu biodiesel trong động cơ đốt trong, 
đồng thời cũng là cơ sở để giải thích, đánh giá kết quả thực nghiệm. 
 Áp dụng mô hình cháy chính của J. Abraham cần hiệu chỉnh các thông 
số đối với tốc độ tỏa nhiệt: hệ số giãn dòng C’d=1,38Cd; hệ số số mũ đặc 
trưng cho tốc độ cháy a’=0,86a; thông số dạng cháy m’= 1,14m. 
 Áp dụng mô hình Shell để tính toán thời gian cháy trễ được đề xuất bởi 
Kong và Reitz, thay đổi thời gian cháy trễ Af4 từ mô hình cháy trễ quan hệ 
theo phương trình    
4 4
x4 y4
4 f f 2f A exp E / RT O RH 
. Hệ số hiệu chỉnh quá 
trình cháy Ef4 của nhiên liệu biodiesel do ảnh hưởng của số cetane khi mô 
phỏng là 𝐸𝑓4
∗ = 3,0𝑒4 
75
𝐶𝑁+25
 . 
2. Kết quả thực nghiệm đã nghiên cứu, phân tích được đặc trưng quá 
trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel Mazda WL cụ thể 
như sau: 
 Tính ổn định cháy đảm bảo COV of IMEP < 5%, khi tăng tỷ lệ 
biodiesel theo thứ tự 15%, 20%, 25%, 30% tương ứng với B15, B20, B25, 
B30 thì tính ổn định cháy giảm dần thể hiện kết quả COV of IMEP lớn nhất 
tăng dần 2,16%, 3,29%, 3,42%, 4,32% theo thứ tự so với nhiên liệu DO. 
 Áp suất cháy cực đại của nhiên liệu B15, B20, B25 và B30 giảm lần 
lượt là -1,72%, -2,54%, -3,5% và -4,63% so với nhiên liệu DO. Tốc độ tỏa 
nhiệt HRR cực đại của nhiên liệu B15, B20, B25 và B30 giảm lần lượt là -
7,99%, -11,44%, -17,01% và -21,25% so với nhiên liệu DO. Nhiệt độ cháy 
cực đại của nhiên liệu B15, B20, B25 và B30 giảm lần lượt là -3,47%, -
5,08%, -6,59% và -9,02% so với nhiên liệu DO. 
 Thời gian cháy trễ tính theo góc quay trục khuỷu của nhiên liệu B15, 
B20, B25 và B30 ngắn hơn lần lượt là 0,455(oTK), 0,877(oTK), 1,196(oTK), 
1,444(
o
TK) so với nhiên liệu DO. Khoảng thời gian khi tỷ lệ lượng nhiên 
liệu cháy 90% (0÷90% MFB) tính theo góc quay trục khuỷu của nhiên liệu 
B15, B20, B25 và B30 ngắn hơn lần lượt là 1,636(oTK), 3,059(oTK), 
4,377(
o
TK), 5,166(
o
TK) so với nhiên liệu DO. 
- 22 - 
 Hiệu suất cháy của nhiên liệu B15, B20, B25 và B30 tăng lần lượt là 
0,25%, 0,33%, 0,42% và 0,47% so với nhiên liệu DO. Hiệu suất nhiệt hiệu 
dụng tính trung bình của nhiên liệu B15, B20, B25 và B30 giảm lần lượt là -
1,13%, -6,26%, -8,61% và -12,08% so với nhiên liệu DO. 
3. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã xác định được các yếu tố đặc 
trưng của quá trình cháy khi sử dụng nhiên liệu biodiesel có nguồn gốc từ 
dầu hạt cao su so với nhiên liệu diesel truyền thống DO trong động cơ diesel 
Mazda WL, buồng cháy ngăn cách, đối với các chế độ tải của động cơ bao 
gồm tải nhỏ (25% tải), tải trung bình (50% tải) và tải lớn (75% tải) cụ thể 
như sau: 
 Với tỷ lệ pha trộn biodiesel 15% (B15) tại số vòng quay động cơ 1500 
v/ph và 2250 v/ph lần lượt là: áp suất cháy cực đại giảm 1,61% và 1,82%; 
tốc độ tỏa nhiệt HRR cực đại giảm 9,12% và 6,87%; nhiệt độ cháy cực đại 
giảm 4,05% và 2,88%; hiệu suất nhiệt giảm 1,02% và 1,24%; công suất 
động cơ giảm 1,82% và 1,17%, suất tiêu hao năng lượng giảm 3,02% và 
2,81%; độ mờ khói %opac giảm 3,66% và 6,18%; phát thải CO giảm 4,58% 
và 6,14%; phát thải HC giảm 8,64% và 9,41%; phát thải NOx tăng 5,01% và 
2,99%. Bên cạnh đó, tại chế độ 75% tải và số vòng quay động cơ 2250 v/ph: 
thời gian cháy trễ ngắn hơn (giảm) 7,04%; khoảng thời gian cháy ngắn hơn 
(giảm) 3,54%; hiệu suất cháy tăng 0,25% và nhiệt độ khí xả giảm 5,37%. 
 Với tỷ lệ pha trộn biodiesel 20% (B20) tại số vòng quay động cơ 1500 
v/ph và 2250 v/ph lần lượt là: áp suất cháy cực đại giảm 2,32% và 2,45%; 
tốc độ tỏa nhiệt HRR cực đại giảm 13,39% và 9,49%; nhiệt độ cháy cực đại 
giảm 5,44% và 4,72%; hiệu suất nhiệt giảm 4,73% và 7,79%; công suất 
động cơ giảm 3% và 2,25%, suất tiêu hao năng lượng giảm 3,01% và 
2,68%; độ mờ khói %opac giảm 6,46% và 11,36%; phát thải CO giảm 
6,09% và 8,53%; phát thải HC giảm 13,16% và 13,64%; phát thải NOx tăng 
8,07% và 5,33%. Bên cạnh đó, tại chế độ 75% tải và số vòng quay động cơ 
2250 v/ph: thời gian cháy trễ ngắn hơn (giảm) 13,57%; khoảng thời gian 
cháy ngắn hơn (giảm) 6,61%; hiệu suất cháy tăng 0,34% và nhiệt độ khí xả 
giảm 6,28%. 
 Với tỷ lệ pha trộn biodiesel 25% (B25) tại số vòng quay động cơ 1500 
v/ph và 2250 v/ph lần lượt là: áp suất cháy cực đại giảm 3,9% và 3,5%; tốc 
độ tỏa nhiệt HRR cực đại giảm 20,77% và 13,25%; nhiệt độ cháy cực đại 
giảm 6,08% và 6,37%; hiệu suất nhiệt giảm 6,67% và 10,55%; công suất 
động cơ giảm 4,16% và 3,01%, suất tiêu hao năng lượng giảm 9,41% và 
9,61%; độ mờ khói %opac giảm 8,7% và 15,67%; phát thải CO giảm 7,78% 
và 10,02%; phát thải HC giảm 16,84% và 21,29%; phát thải NOx tăng 
10,31% và 6,98%. Bên cạnh đó, tại chế độ 75% tải và số vòng quay động cơ 
2250 v/ph: thời gian cháy trễ ngắn hơn (giảm) 18,51%; khoảng thời gian 
- 23 - 
cháy ngắn hơn (giảm) 9,46%; hiệu suất cháy tăng 0,42% và nhiệt độ khí xả 
giảm 8,33%. 
 Với tỷ lệ pha trộn biodiesel 30% (B30) tại số vòng quay động cơ 1500 
v/ph và 2250 v/ph lần lượt là: áp suất cháy cực đại giảm 5,21% và 4,05%; 
tốc độ tỏa nhiệt HRR cực đại giảm 26,34% và 16,16%; nhiệt độ cháy cực 
đại giảm 9,55% và 8,49%; hiệu suất nhiệt giảm 9,63% và 14,52%; công suất 
động cơ giảm 5,0% và 3,7%, suất tiêu hao năng lượng giảm 11,60% và 
11,46%; độ mờ khói %opac giảm 11,22% và 19,86%; phát thải CO giảm 
8,9% và 11,0%; phát thải HC giảm 20,53% và 22,57%; phát thải NOx tăng 
12,91% và 8,65%. Tại chế độ 75% tải và số vòng quay động cơ 2250 v/ph: 
thời gian cháy trễ ngắn hơn (giảm) 22,35%; khoảng thời gian cháy ngắn hơn 
(giảm) 11,16%; hiệu suất cháy tăng 0,47% và nhiệt độ khí xả giảm 8,94%. 
4. Kết quả nội soi buồng cháy trong nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, 
quá trình cháy bắt đầu có xu hướng sớm hơn khi tăng nồng độ biodiesel 
trong nhiên liệu và khoảng thời gian cháy trễ ngắn hơn. Nhiệt độ quá trình 
cháy khi sử dụng nhiên liệu DO cao hơn so với biodiesel. Phát thải bồ hóng 
giảm nhiều tuy nhiên nồng độ phát thải NOx khi sử dụng biodiesel là cao 
hơn. Từ kết quả hình ảnh màng lửa và phân tích quá trình cháy bằng nội soi 
buồng cháy cũng như kết quả mô phỏng cho thấy, hỗn hợp nhiên liệu 
biodiesel nguồn gốc từ dầu hat cao su có đặc điểm quá trình cháy tương 
đồng so với nhiên liệu diesel truyền thống DO. 
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 
KẾT LUẬN 
Từ các kết quả nghiên cứu đã trình bày trong luận án có thể kết luận: 
1. Luận án đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng động cơ diesel 
Mazda WL trên phần mềm ANSYS FLUENT khi sử dụng các loại nhiên 
liệu DO và biodiesel nguồn gốc từ dầu hạt cao su với các tỷ lệ phối trộn 
B15, B20, B25, B30. Kết quả mô phỏng so với thực nghiệm có sai lệch lớn 
nhất nhỏ hơn 10%, do đó mô hình mô phỏng hoàn toàn đảm bảo độ tin cậy 
và phù hợp với thực tế. Thông qua mô hình đã xây dựng có thể phân tích, 
đánh giá được đặc trưng quá trình cháy nhiên liệu biodiesel trong động cơ 
đốt trong, đồng thời cũng là cơ sở để giải thích, đánh giá kết quả thực 
nghiệm. 
2. Bằng mô phỏng luận án đã dự báo được sự thay đổi các thông số đặc 
trưng quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel về mặt qui 
luật. Đồng thời, cũng đã chỉ ra hệ số hiệu chỉnh quá trình cháy khi mô phỏng 
trong ANSYS FLUENT đối với nhiên liệu biodiesel có tỷ lệ từ B15 đến B30 
cụ thể như sau: 
- 24 - 
 Áp dụng mô hình cháy chính của J. Abraham cần hiệu chỉnh các thông 
số đối với tốc độ tỏa nhiệt như sau: Hệ số giãn dòng C’d=1,38Cd; hệ số số 
mũ đặc trưng cho tốc độ cháy a’=0,86a; thông số dạng cháy m’= 1,14m đối 
với nhiên liệu biodiesel từ dầu hạt cao su khi sử dụng cho động cơ diesel 
Mazda WL. 
 Áp dụng mô hình Shell để tính toán thời gian cháy trễ được đề xuất bởi 
Kong và Reitz, thay đổi thời gian cháy trễ Af4 từ mô hình cháy trễ quan hệ 
theo phương trình    
4 4
x4 y4
4 f f 2f A exp E / RT O RH 
. Hệ số hiệu chỉnh quá 
trình cháy Ef4 của nhiên liệu biodiesel do ảnh hưởng của số cetane khi mô 
phỏng là 𝐸𝑓4
∗ = 3,0𝑒4 
75
𝐶𝑁+25
 . 
3. Bằng thực nghiệm luận án đã nghiên cứu, phân tích được đặc trưng 
quá trình cháy của nhiên liệu biodiesel trong động cơ diesel Mazda WL. Kết 
quả nghiên cứu thực nghiệm cũng đã xác định được các yếu tố nhằm phân 
tích đánh giá được ảnh hưởng của tỷ lệ biodiesel có nguồn gốc từ dầu hạt 
cao su thay thế đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, phát thải cũng như thông 
số vận hành của động cơ diesel. 
4. Luận án đề xuất trong thời gian tới có thể sử dụng nhiên liệu 
biodiesel với tỷ lệ pha trộn 15% nguồn gốc từ dầu hạt cao su thay thế nhiên 
liệu diesel cho động cơ diesel Mazda WL mà không cần thay đổi kết cấu. Có 
thể sử dụng nhiên liệu biodiesel với tỷ lệ pha trộn 20% cho động cơ diesel 
Mazda WL mà không cần thay đổi kết cấu, tuy nhiên cần lắp thêm bộ xúc 
tác khử NOx trên động cơ. 
5. Kết quả thực nghiệm nội soi buồng cháy đã phân tích được hình ảnh 
diễn biến quá trình cháy trên phần mềm AVL Visioscope của nhiên liệu 
biodiesel và DO trong buồng cháy động cơ Mazda WL thấy rằng: quá trình 
cháy bắt đầu có xu hướng sớm hơn khi tăng tỷ lệ biodiesel và khoảng thời 
gian cháy trễ ngắn hơn. Nhiệt độ cháy thấp hơn, phát thải bồ hóng giảm, 
nồng độ phát thải NOx cao hơn so với nhiên liệu DO. Đặc điểm diễn biến 
quá trình cháy của biodiesel tương đồng so với nhiên liệu diesel. Kết quả 
này hoàn toàn phù hợp với kết quả nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm 
trong luận án. 
HƢỚNG PHÁT TRIỂN 
Nghiên cứu ảnh hưởng của quy luật cung cấp nhiên liệu đến tính năng 
động cơ diesel khi sử dụng biodiesel. Nghiên cứu, đánh giá tính thích ứng 
vật liệu và độ bền của các chi tiết động cơ khi sử dụng nhiên liệu biodiesel 
từ dầu hạt cao su.